Bij blootstelling aan intense laserpulsen, de magnetisatie van een materiaal kan heel snel worden gemanipuleerd. Fundamenteel, magnetisatie is verbonden met het impulsmoment van de elektronen in het materiaal. Een team van onderzoekers onder leiding van wetenschappers van het Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) heeft nu de stroom van impulsmoment tijdens ultrasnelle optische demagnetisatie in een ferrimagnetische ijzer-gadoliniumlegering tot in detail kunnen volgen, om de fundamentele processen en hun snelheidslimieten te begrijpen. De resultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Wanneer de magnetisatie van een ferromagnetisch lichaam verandert, het begint te roteren - dit verband tussen de magnetisatie en het impulsmoment werd waargenomen in een experiment van Einstein en de Haas in 1915. Dit fenomeen treedt op omdat op microscopisch niveau, magnetisatie is intrinsiek gekoppeld aan het impulsmoment van elektronen. In tegenstelling tot Einstein en de Haas destijds, natuurkundigen weten nu dat zowel de baanbeweging van het elektron rond de atoomkern als zijn spin de magnetisatie genereren. In feite, in een ferromagnetische vaste stof, de spin genereert het leeuwendeel van de magnetisatie. Als het impulsmoment behouden blijft, een verandering in magnetisatie moet dus gepaard gaan met een verandering van andere vormen van impulsmoment in het systeem - in het Einstein-de Haas-experiment, dit was de resulterende rotatie van een hangende magneet nadat de magnetisatie was veranderd. Op microscopisch niveau, het is de corresponderende beweging van de atomen die het laatste reservoir van impulsmoment vormt.

Belichting met een ultrakorte laserpuls is een middel om een ​​materiaal zeer snel te demagnetiseren - voor de prototypische ferromagneten ijzer, kobalt en nikkel, bijvoorbeeld, de magnetisatie wordt gedoofd binnen ongeveer één picoseconde (10 ^-12 seconden) nadat de laserpuls het materiaal heeft geraakt. Onderzoekers hebben zich afgevraagd via welke kanalen het impulsmoment geassocieerd met de magnetisatie wordt overgebracht naar andere reservoirs gedurende de korte beschikbare tijd.

De wetenschappers van MBI in Berlijn, samen met wetenschappers van Helmholtz Zentrum Berlin en Nihon University, Japan, waren in staat om deze stroom van impulsmoment in detail te volgen voor een ijzer-gadoliniumlegering. In dit ferrimagnetische materiaal, aangrenzende ijzer (Fe) en gadolinium (Gd) atomen hebben magnetisatie met tegengestelde richting. De onderzoekers gebruikten ultrakorte röntgenpulsen om de absorptie van circulair gepolariseerde röntgenstralen door de Fe- en Gd-atomen te volgen als functie van de tijd na eerdere laserexcitatie. Deze benadering is uniek omdat hiermee het magnetische moment tijdens de ultrasnelle demagnetisatie bij beide soorten atomen afzonderlijk kan worden gevolgd. Aanvullend, het is mogelijk om het impulsmoment te onderscheiden dat is opgeslagen in de orbitale beweging versus in de spin van de elektronen wanneer de respectieve absorptiespectra worden geanalyseerd.

Via deze gedetailleerde röntgenvisie, de wetenschappers ontdekten dat het demagnetisatieproces bij de Gd-atomen in de legering aanzienlijk sneller is dan in zuivere Gd. Echter, dit is niet te wijten aan een uitwisseling van impulsmoment tussen de verschillende soorten atomen, ondanks hun antiparallelle uitlijning. "We begrijpen de versnelde reactie van Gd als gevolg van de zeer hoge temperaturen die worden gegenereerd tussen de elektronen in de legering, " zegt Martin Hennecke, de eerste auteur van de studie.

interessant, een "herschikking" van impulsmoment tussen de spin en orbitale beweging van de elektronen kon ook niet worden gedetecteerd bij het volgen van de laser-geïnduceerde demagnetisatie met een temporele resolutie van ongeveer 100 femtoseconden (10 ^-13 seconden) - dit geldt lokaal voor alle Fe- en Gd-atomen. Dus hoe verloopt het impulsmoment? "Blijkbaar, alle impulsmoment wordt volledig overgebracht naar het atoomrooster, ", zegt Hennecke. "In lijn met recente theoretische voorspellingen, het spinimpulsmoment wordt eerst overgebracht naar de baanbeweging bij hetzelfde atoom via de spin-baaninteractie, maar we kunnen het zich daar niet ophopen omdat het rechtstreeks naar het atomaire rooster gaat." Onlangs is theoretisch voorspeld dat het laatste proces zo snel is als één femtoseconde en de gedetailleerde experimenten bevestigen nu dat deze laatste overdrachtsstap inderdaad geen bottleneck is in de algehele stroom van impulsmoment.

Aangezien korte laserpulsen ook kunnen worden gebruikt om magnetisatie permanent te schakelen en dus bits te schrijven voor magnetische gegevensregistratie, het inzicht in de dynamiek van deze fundamentele mechanismen is van belang om nieuwe benaderingen te ontwikkelen om gegevens veel sneller dan vandaag mogelijk te schrijven naar massale gegevensopslagmedia.